第一章 金屬材料的主要性能

第一篇金屬材料的基本知識(shí)材料是人類(lèi)技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志材料導(dǎo)論機(jī)械工程領(lǐng)域中，廣泛應(yīng)用著各種材料,按屬性可分類(lèi)：金屬材料非金屬材料復(fù)合材料機(jī)械制造最主要的材料：廣泛應(yīng)用于機(jī)床、礦山、冶金、動(dòng)力、交通等機(jī)械中塑料、陶瓷、橡膠等具有金屬材料所沒(méi)有的性能，如絕緣性、耐磨性、廉價(jià)性等將兩種或兩種以上的材料組合在一起，既保原單種材料的性能又具備單種材料不具的性能。如雙金屬?gòu)?fù)合材料、金屬塑料涂覆材料等）材料類(lèi)別不同，則性能不同、用途不同、成型的技術(shù)也不同以金屬元素為主要成分、原子通過(guò)金屬鍵結(jié)合而成的一類(lèi)固體材料。第一章金屬材料的主要性能兩方面材料使用性能材料工藝性能力學(xué)性能（強(qiáng)度、塑性韌性等）物理性能（光、熱、電、磁等）化學(xué)性能（氧化、腐蝕等）生物性能（相容性、自恢復(fù)性等）加工性能（切削、鍛造等）鑄造性能（適合鑄造與否）焊接性能（容易焊接與否）熱處理性能（可熱處理強(qiáng)化）第一章金屬材料的主要性能第一節(jié)金屬材料的力學(xué)性能

力學(xué)性能:金屬材料在受外力作用時(shí)所反映出來(lái)的固有性能。金屬材料的力學(xué)性能主要有：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度等。力學(xué)性能指標(biāo)是選擇、使用金屬材料的重要依據(jù)。

材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱(chēng)為變形。外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱(chēng)為彈性變形。外力去處后不能恢復(fù)的變形稱(chēng)為塑性變形。低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線拉伸試樣拉伸試驗(yàn)機(jī)應(yīng)力

=P/F0應(yīng)變

=(l-l0)/l0低碳鋼的拉伸曲線四個(gè)階段：彈性階段屈服階段強(qiáng)化階段縮頸階段塑性變形彈性變形屈服變形斷裂一、強(qiáng)度

１.彈性和剛度彈性：指標(biāo)為彈性極限e，即材料承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力。剛度：材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。指標(biāo)為彈性模量E。e彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強(qiáng)化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對(duì)彈性模量的影響很小。2.強(qiáng)度強(qiáng)度：材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力。

１）屈服強(qiáng)度s：材料發(fā)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。

條件屈服強(qiáng)度0.2：殘余變形量為0.2%時(shí)的應(yīng)力值。２）抗拉強(qiáng)度b：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。0.2３.疲勞強(qiáng)度（疲勞極限）材料在低于s的重復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱(chēng)為疲勞極限。用-1表示。鋼鐵材料（黑色金屬）周次為107，有色金屬合金為108。疲勞應(yīng)力示意圖疲勞曲線示意圖分散帶/水平臺(tái)疲勞強(qiáng)度疲勞斷口通過(guò)改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進(jìn)行表面強(qiáng)化等方法可提高材料疲勞抗力。軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）三區(qū)：疲勞源、疲勞區(qū)及瞬斷區(qū)二、硬度材料抵抗另一硬物壓入其內(nèi)而表面產(chǎn)生局部塑性變形的能力。１.布氏硬度HB：布氏硬度計(jì)

壓頭為淬火鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號(hào)HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。符號(hào)HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值,符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。如120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120。布氏硬度壓痕布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。適于測(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼,

鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的b與HB之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：對(duì)于低碳鋼:

b(MPa)≈3.6HB

對(duì)于高碳鋼：b(MPa)≈3.4HB

對(duì)于鑄鐵：

b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40)HBb(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵加預(yù)載荷壓頭：錐頂角為１２０度的金剛石圓錐或淬火鋼球表盤(pán)試樣壓頭主載荷預(yù)載荷加主載荷卸載２.洛氏硬度洛氏硬度用符號(hào)HR表示，HR=k(h3-h1)/0.002洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)

根據(jù)壓頭類(lèi)型和載荷不同有A、B、C、D、E、F、G、H、K等9個(gè)標(biāo)尺。其中常用于鋼材硬度測(cè)試的標(biāo)尺一般為A、B、C，即HRA、HRB、HRC。標(biāo)尺壓頭總載荷（N）適用測(cè)試材料有效值HRA120°金剛石圓錐體600硬質(zhì)合金、表面淬火鋼70~85HRBΦ1.588mm淬火鋼球1000退火鋼、有色金屬25~100HRC120°金剛石圓錐體1500淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼20~67原理與布氏硬度的基本相同，區(qū)別在于壓頭不同。表達(dá)式：式中:P—載荷;Av—壓痕面積。維氏硬度用符號(hào)HV表示，符號(hào)前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時(shí)間。金剛石四方角錐體錐面夾角１３６度壓痕Ｐ３.維氏硬度維氏硬度計(jì)維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度壓痕根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測(cè)定方法—維氏硬度試驗(yàn)、小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)、顯微維氏硬度試驗(yàn)。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。特點(diǎn)：載荷小、壓痕淺，適用于測(cè)定零件表面的薄硬化層、鍍層及薄片材料。載荷所調(diào)范圍大，對(duì)軟硬材料均適用。小負(fù)荷維氏硬度計(jì)顯微維氏硬度計(jì)三、塑性

塑性：材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力。

指標(biāo)為：

伸長(zhǎng)率（延伸率）：斷面收縮率：斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象說(shuō)明：①用面縮率表示塑性比伸長(zhǎng)率更接近真實(shí)變形。②直徑d0相同時(shí)，l0，。只有當(dāng)l0/d0為常數(shù)時(shí)，塑性值才有可比性。當(dāng)l0=10d0

時(shí)，伸長(zhǎng)率用表示；當(dāng)l0=5d0

時(shí)，伸長(zhǎng)率用5表示。5>10③

>時(shí)，無(wú)頸縮，為脆性材料表征

<時(shí)，有頸縮，為塑性材料表征四、沖擊韌性是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。指標(biāo)為沖擊韌性值ak(通過(guò)擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)得)。H0H1AOB試樣支座試樣擺錘支座影響因素：材料、尺寸、缺口形狀、試驗(yàn)環(huán)境等韌脆轉(zhuǎn)變溫度材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱(chēng)韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱(chēng)韌脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬?zèng)]有。TITANIC建造中的Titanic號(hào)TITANIC的沉沒(méi)與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)Titanic號(hào)鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果Titanic近代船用鋼板五、斷裂韌性油輪斷裂和北極星導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體爆炸與材料中存在缺陷有關(guān)

1943年美國(guó)T-2油輪發(fā)生斷裂北極星導(dǎo)彈裂紋擴(kuò)展的基本形式應(yīng)力強(qiáng)度因子ＫＩ：描述裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的指標(biāo)。斷裂韌性ＫＩＣ：材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。C為斷裂應(yīng)力，aC為臨界裂紋半長(zhǎng)，ＫＩＣ單位為第二節(jié)金屬材料的物理、化學(xué)及工藝性能物理性能：密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、磁性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性等。化學(xué)性能：⑴耐蝕性：材料在介質(zhì)中抵抗腐蝕的能力。⑵抗